SMTbar回流溫度曲線的一般技術(shù)要求及測試方法

1、回流溫度曲線的一般技術(shù)要求及測試方法一、回流溫度曲線在生產(chǎn)中地位：回流焊接是在 SMT 工業(yè)組裝基板上形成焊接點(diǎn)的主要方法，在 SMT 工藝中回流焊接是核 心工藝。因?yàn)楸砻娼M裝 PCB 的設(shè)計(jì)，焊膏的印刷和元器件的貼裝等產(chǎn)生的缺陷，最終都將 集中表現(xiàn)在焊接中，而表面組裝生產(chǎn)中所有工藝控制的目的都是為了獲得良好的焊接質(zhì)量， 如果沒有合理可行的回流焊接工藝， 前面任何工藝控制都將失去意義。 而回流焊接工藝的表 現(xiàn)形式主要為回流溫度曲線，它是指 PCB 的表面組裝器件上測試點(diǎn)處溫度隨時(shí)間變化的曲 線。因而回流溫度曲線是決定焊接缺陷的重要因素。 因回流曲線不適當(dāng)而影響的缺陷形式主 要有：部品爆裂 /破

2、裂、翹件、錫粒、橋接、虛焊以及生半田、PCB 脫層起泡等。因此適當(dāng)設(shè)計(jì)回流溫度曲線可得到高的良品率及高的可靠度， 對回流溫度曲線的合理控制， 在生產(chǎn)制 程中有著舉足輕重的作用。二、回流溫度曲線的一般技術(shù)要求及主要形式： 1回流溫度曲線各環(huán)節(jié)的一般技術(shù)要求： 一般而言，回流溫度曲線可分為三個(gè)階段：預(yù)熱階段、回流階段、冷卻階段。 預(yù)熱階段： 預(yù)熱是指為了使錫水活性化為目的和為了避免浸錫時(shí)進(jìn)行急劇高溫加熱引起部品不具合為 目的所進(jìn)行的加熱行為。•預(yù)熱溫度：依使用錫膏的種類及廠商推薦的條件設(shè)定。一般設(shè)定在80160C范圍內(nèi)使其慢慢升溫（最佳曲線）；而對于傳統(tǒng)曲線恒溫區(qū)在 140160 C間

3、，注意溫度高則氧化 速度會(huì)加快很多（在高溫區(qū)會(huì)線性增大，在150C左右的預(yù)熱溫度下，氧化速度是常溫下的數(shù)倍，銅板溫度與氧化速度的關(guān)系見附圖）預(yù)熱溫度太低則助焊劑活性化不充分。• 預(yù)熱時(shí)間視 PCB 板上熱容量最大的部品、 PCB 面積、 PCB 厚度以及所用錫膏性能 而定。一般在80160C預(yù)熱段內(nèi)時(shí)間為 60120see，由此有效除去焊膏中易揮發(fā)的溶劑， 減少對元件的熱沖擊，同時(shí)使助焊劑充分活化，并且使溫度差變得較小。• 預(yù)熱段溫度上升率：就加熱階段而言，溫度范圍在室溫與溶點(diǎn)溫度之間慢的上升率可望減少大部分的缺陷。 對最佳曲線而言推薦以 0.51C /sec的慢上升率

4、，對傳統(tǒng)曲線而言 要求在34 C /sec以下進(jìn)行升溫較好。 回流階段：• 回流曲線的峰值溫度通常是由焊錫的熔點(diǎn)溫度、組裝基板和元件的耐熱溫度決定的。一般最小峰值溫度大約在焊錫熔點(diǎn)以上30 C左右（對于目前 Sn63 - pb焊錫，183C熔融點(diǎn)，則最低峰值溫度約210C左右）。峰值溫度過低就易產(chǎn)生冷接點(diǎn)及潤濕不夠，熔融不足而致生半田，一般最高溫度約235C,過高則環(huán)氧樹脂基板和塑膠部分焦化和脫層易發(fā)生， 再者超額的共界金屬化合物將形成，并導(dǎo)致脆的焊接點(diǎn)（焊接強(qiáng)度影響）。• 超過焊錫溶點(diǎn)以上的時(shí)間：由于共界金屬化合物形成率、焊錫內(nèi)鹽基金屬的分解率 等因素， 其產(chǎn)生及濾出

5、不僅與溫度成正比， 且與超過焊錫溶點(diǎn)溫度以上的時(shí)間成正比， 為減 少共界金屬化合物的產(chǎn)生及濾出則超過熔點(diǎn)溫度以上的時(shí)間必須減少，一般設(shè)定在45 90秒之間， 此時(shí)間限制需要使用一個(gè)快速溫升率， 從熔點(diǎn)溫度快速上升到峰值溫度， 同時(shí)考慮 元件承受熱應(yīng)力因素，上升率須介于2.53.5C/see之間，且最大改變率不可超過4C /sea 冷卻階段：高于焊錫熔點(diǎn)溫度以上的慢冷卻率將導(dǎo)致過量共界金屬化合物產(chǎn)生，以及在焊接點(diǎn)處易發(fā)生大的晶粒結(jié)構(gòu)， 使焊接點(diǎn)強(qiáng)度變低， 此現(xiàn)象一般發(fā)生在熔點(diǎn)溫度和低于熔點(diǎn)溫度一點(diǎn)的溫度 范圍內(nèi)。 快速冷卻將導(dǎo)致元件和基板間太高的溫度梯度， 產(chǎn)生熱膨脹的不匹配， 導(dǎo)致焊接點(diǎn) 與焊

6、盤的分裂及基板的變形， 一般情況下可容許的最大冷卻率是由元件對熱沖擊的容忍度決定的。綜合以上因素，冷卻區(qū)降溫速率一般在4C /S左右，冷卻至75C即可。2目前應(yīng)用較廣泛的兩種回流溫度曲線模式： 升溫一保溫方式（傳統(tǒng)溫度曲線）•解說：由起始快速溫度上升至140170 C范圍內(nèi)某一預(yù)熱溫度并保持，TPHH TPHL要根據(jù)回流爐能力而定（土 10C程度），然后溫度持平40120S左右當(dāng)作預(yù)熱區(qū)，然 后再快速升溫至回流區(qū)，再迅速冷卻進(jìn)入冷卻區(qū)（溫度變化速率要求在4 C /sec以下）。• 特點(diǎn)：因?yàn)橐话愣既≥^低的預(yù)熱溫度，因而對部品高溫影響小（給部品應(yīng)力?。┕?可延長其加熱時(shí)間

7、， 以便達(dá)到助焊劑的活性化。 同時(shí)因?yàn)閺念A(yù)熱區(qū)到回流區(qū)， 其溫度上升較 為激劇，易使焊接流變性惡化而致移位，且助焊劑活性化溫度也低。 逐步升溫方式（最佳溫度曲線）：•解說：以慢的上升率（0.51 C /sec）加熱直到大約175C，然后在2030S內(nèi)梯度 上升到180C左右，再以2.53.5C/sec快速上升到220C左右，最后以不超過 4C/sec快速 冷卻下降。其管理要點(diǎn)是保持一定的預(yù)熱溫度上升率，預(yù)熱的終點(diǎn)接近錫的熔點(diǎn)溫度。• 特點(diǎn)：部品不受激劇的溫度變化，助焊劑的活性化溫度可以設(shè)定較高，但助焊劑的 活性化時(shí)間短，同時(shí)預(yù)熱溫度高而使部品受高溫影響。 比較以上兩種回

8、流溫度曲線模式，主要的不同是后者無高原結(jié)構(gòu) （即恒溫加熱區(qū)） 的溫度曲線部分。目前我們公司主要是用前者。 由于基板結(jié)構(gòu)及其元件吸熱性的差異， 以及設(shè)備可控制加熱率的限制，在穿過回流爐的基板不同點(diǎn)溫度仍然會(huì)存在差異， 借由一個(gè)減少溫度梯度的高原形式的平衡區(qū)， 在熱點(diǎn)溫度到 焊錫溶點(diǎn)溫度以下時(shí)， 保持此溫度一段時(shí)間， 則冷點(diǎn)溫度將有力趕上它，在每個(gè)元件達(dá)到相同溫度之后， 另一個(gè)快溫升程序?qū)⑹乖仙椒逯禍囟龋?這樣可有效避免局部生半田或局 部高溫焦化的現(xiàn)象。 另一方面， 前者高原結(jié)構(gòu)的獲得， 則在室溫至恒溫預(yù)熱段以及恒溫段至焊錫熔融段必然會(huì) 出現(xiàn)一個(gè)快速升溫的過程， 而此快速升溫過程對因?yàn)R落而引

9、起的焊錫球， 在焊錫融點(diǎn)前部品 兩側(cè)潤濕不平衡而引起翹件等不良又有密切關(guān)系， 很多品質(zhì)問題都希望在室溫到焊錫溶點(diǎn)之 間采用線性上升加熱溫度曲線來預(yù)防消除。3常見回流浸錫不良與溫度曲線關(guān)系（僅是基于回流工藝的考慮） 錫橋接（短路）不良是焊錫熱融落造成的結(jié)果，只發(fā)生在熔點(diǎn)以下的焊膏階段。由于分子熱運(yùn)動(dòng)效應(yīng)， 固定成份和化學(xué)結(jié)構(gòu)的材料的粘度隨溫度上升而下降， 在較高溫下粘度的下降 將產(chǎn)生較大的熱融落； 另一方面， 溫度的上升常使助焊劑脫出較多的溶劑并導(dǎo)致固態(tài)含量的 增加而致使粘度上升。 因?yàn)榍罢邇H與溫度有關(guān)， 后者即溶劑的總減少量是時(shí)間和溫度的函數(shù)， 在任一已知的溫度下， 低溫升率的錫膏粘度比高溫升

10、率回流曲線下的錫膏粘度要高，因此我們在預(yù)熱階段的溫升率一般要求較低，從而減少短路不良的發(fā)生。 錫粒的產(chǎn)生： 在預(yù)熱階段， 伴隨除去焊膏中易揮發(fā)溶劑的過程， 焊膏內(nèi)部會(huì)發(fā)生氣化現(xiàn)象， 這時(shí)如果焊膏中金屬粉末之間的粘結(jié)力小于氣化產(chǎn)生的力，就會(huì)有少量焊膏從焊盤上流離 開，有的則躲到 Chip 元件下面， 回流時(shí)這部分焊膏也會(huì)熔化， 而后從片狀阻容元件下擠出， 形成焊錫珠。 由其形成過程可見， 預(yù)熱溫度越高， 預(yù)熱速度越快， 就會(huì)加大氣化現(xiàn)象中飛濺， 就越易形成錫珠。 同時(shí)溫度越高， 焊錫的氧化會(huì)加速、 焊錫粉表面的氧化膜會(huì)阻止焊錫粉之 間很好地熔融為一體， 會(huì)產(chǎn)生焊錫球。 但這一現(xiàn)象采用適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫

11、度與預(yù)熱速度可有效控 制。 毛細(xì)管現(xiàn)象： 是指溶融焊錫潤濕到元件引腳且遠(yuǎn)離接點(diǎn)區(qū)， 造成假焊， 其原因是在焊錫熔 融階段引腳的溫度高于 PCB 焊盤溫度。改善辦法：使用較多的底面加熱（上、下加熱方式回流爐）或非常慢的溫升率（在預(yù)熱至焊錫溶點(diǎn)溫度附近） ，使焊錫潤濕發(fā)生前引腳與焊盤溫度達(dá)到平衡。三、回流溫度曲線的測試 回流溫度曲線的測試，一般采用能隨打印 PCB 板一同進(jìn)入爐膛內(nèi)的溫度采集器（即溫度記 憶裝置）進(jìn)行測試，測量采用 K 型熱電偶（依測量溫度范圍及精度而采用不同材質(zhì)制成各 種類型熱電偶） ，偶絲直徑 0.10.3mm 為宜 ,測試后將記憶裝置數(shù)據(jù)輸入專用測試曲線數(shù)據(jù)處 理機(jī)打印出 P

12、CB 組件溫度曲線 .1. 熱電偶的安培育a. 感應(yīng)溫度用的熱電偶 ,在使用和安裝過程中 ,應(yīng)確保除測試點(diǎn)外 ,無短接現(xiàn)象發(fā)生 ,否則無 法保證試精度 ,測試點(diǎn)盡可能小 .b. 熱電偶在與記憶裝置或其它測試設(shè)備相連接時(shí),其極性應(yīng)與設(shè)備要求一致 ,熱電偶將溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢 ,所以連接時(shí)有方向要求 .（ 目前我們使用的熱電偶絲帶紅色線條的線接正極）2. 測試點(diǎn)的選取一般至少三點(diǎn) ,能代表 PCB 組件上溫度變化的測試點(diǎn) （能反映 PCB 組件上高、中低溫部位 的溫度變化 ）；一般情況下，最高溫度部位在 PCB 與傳送方向相垂直的無元件邊緣中心處，最低溫度在 PCB 靠近中心部位的大型元件之半田端子

13、處（ PLCC.QFP 等）如下圖示 :另外對耐熱性差部品表面要有測試點(diǎn),以及客戶的特定要求 .3. 測試點(diǎn)安裝 :熱電偶與測試位置要可靠連接 ,否則會(huì)產(chǎn)生熱阻 ,另外與熱電偶接觸的材料以 及固定熱電偶的材料應(yīng)是最小的 ,因其絕熱或吸熱作用將直接影響熱電偶測量值的真實(shí)性,下表是常用的四種熱電偶連接方式 :表一 四種熱電偶加接方法比較類別 連接方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 適用性高溫焊料焊接熔點(diǎn)高于290C ,導(dǎo)熱性好撚電偶與PCB表面之間熱阻小，機(jī)械強(qiáng)度高旌 接可靠測量誤差小 ,可連續(xù)測試 . 焊接技術(shù)難度大 ,改變測試點(diǎn)不方便 ,容易因過熱而損壞 PCB 焊盤或元器件 ，不能將熱電偶與不浸錫表面連接.

14、適用于固定點(diǎn)連續(xù)測試膠粘劑 粘接 可將熱電偶與不浸錫表面連接 ，能經(jīng)受幾個(gè)周期的再流焊溫度 . 粘接后固化 操作不便 ，殘留膠清除困難 . 適用于固定點(diǎn)連續(xù)測試高溫膠帶 粘接 可將熱電偶與不浸錫表面連接 ，改變測試點(diǎn)簡單方便 . 隨著溫度升高 ，膠 帶粘著力下降 ，熱電偶偏離測試點(diǎn) ，引起測試誤差 ，不能將熱電偶固定在狹小位置 . 適用于多 點(diǎn)測試機(jī)械連接 機(jī)械固定 連接結(jié)實(shí)可靠 ,經(jīng)得住反復(fù)測試 ,可對狹小位置進(jìn)行測試機(jī)械部件增加了熱電偶附近熱容量 ,測試成本高 . 適用于高密度多點(diǎn)連續(xù)測試 目前我們采用的多是高溫焊料方式 ,用高溫焊料貼片膠或高溫膠帶紙將記憶裝置的熱電偶測 試頭分別固定到

15、PCB 的測試點(diǎn)部位 ,再用高溫度膠帶 /膠水把熱電偶絲固定 ,以免因其移動(dòng)影 響測量數(shù)據(jù) ,焊接固定時(shí) ,焊接量盡量小和均勻 ,固定用膠水也盡量是很薄一層 .4. 測試板的要求a. 原則上要采用本機(jī)種的完整的回流后產(chǎn)品來制作,以保證真實(shí)地反映該產(chǎn)品在回流爐內(nèi)的溫度變化情況b. 采用其他代替測試板要符合以下要求 :基板材質(zhì)相同 ,基板外形尺寸要相同 ,基板厚度相同 貼片部品數(shù)大致相當(dāng)以及吸熱或耐熱性近部品 .5. 其他注意事項(xiàng)a. 將測試板與記憶裝置一起放入爐膛時(shí) ,注意記憶裝置距測試 PCB 板距離在 100mm 以上 , 以免熱量干擾 .b. 相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明 : 回流爐在開機(jī) 30mim

16、 后才能達(dá)到爐體熱平衡 ,因此要求在開啟爐子至 少運(yùn)行 30mim 后才可進(jìn)行溫度曲線的測試及生產(chǎn) .c. 溫度曲線圖打印出來后依預(yù)熱的溫度時(shí)間,回流峰值溫度 ,回流時(shí)間以及升降溫速率等綜合考慮調(diào)整設(shè)備至滿足溫度曲線要求 ,因測試點(diǎn)熱容量的不同以及表征回流爐性能的溫度不 均勻性因素 ,三個(gè)測試溫度曲線將會(huì)存在一定差異.d. 溫度曲線的記錄 :除打印出的溫度曲線外 ,要表明各參數(shù)要求的范圍及實(shí)際值;設(shè)備的設(shè)定值及顯示值 ; 測試點(diǎn)位置分布及測試板投入方向以及測定時(shí)間及結(jié)果判定等.e. 測定頻度 :原則上每周一次 （客戶別要求時(shí)依客戶要求執(zhí)行 ）,在設(shè)定變更 ,產(chǎn)品變更時(shí) ,視需 要進(jìn)行溫度曲線的測試 .四